在真核 生物 細(xì)胞 核 中，基因組并不是線性 存在的， 而是通過高度有序 的方式在三維空間中不斷折疊纏繞組織起來的 。大量研究表明，基因轉(zhuǎn)錄往往依賴遠(yuǎn)距離增強(qiáng)子與啟動(dòng)子在三維空間中的物理接觸，這類 “ 增強(qiáng)子 - 啟動(dòng)子 ” 互作被認(rèn)為是細(xì)胞類型特異性基因調(diào)控的核心機(jī)制之一 。

過去十余年， Hi-C 等三維基因組技術(shù)的出現(xiàn)，使研究者得以在全基因組尺度上系統(tǒng)描繪染色質(zhì)的空間互作圖譜。借助這些數(shù)據(jù)，人們識(shí)別了染色質(zhì)區(qū)室、拓?fù)?相關(guān) 結(jié)構(gòu)域（ TAD ）以及大量染色質(zhì)環(huán)（ chromatin loops ），三維基因組學(xué)也由此迅速發(fā)展，成為理解基因調(diào)控的重要基礎(chǔ) 之一 。然而，隨著研究不斷深入，一個(gè) 問題逐漸顯現(xiàn)出來 ：在發(fā)育、分化或外界刺激下， 基因轉(zhuǎn)錄 程序 有時(shí) 會(huì)發(fā)生顯著變化， 而 染色質(zhì) 環(huán) 卻表現(xiàn)得相對(duì) “ 穩(wěn)定 ” ； 在另外一些情況下，盡管染色質(zhì)互作發(fā)生了全局變化，基因轉(zhuǎn)錄程序卻并未發(fā)生 相應(yīng)改變 。染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的 動(dòng)態(tài)變化與 基因 轉(zhuǎn)錄調(diào)控之間的關(guān)聯(lián) ， 似乎并不如最初預(yù)期的那樣緊密 。

事實(shí)真的如此嗎？近日 ，復(fù)旦大學(xué)王小滔研究員團(tuán)隊(duì)在 Nature Communications 發(fā)表研究論文

Boosting the detection of enhancer-promoter loops via normalization methods for chromatin interaction data

在當(dāng)前主流的三維基因組 數(shù)據(jù) 分析流程中， ICE 、 KR 等矩陣平衡方法被廣泛用于 校正 GC 含量、序列可比對(duì)性（ mappability ）以及限制性 內(nèi)切酶 酶切片段長(zhǎng)度等 系統(tǒng)性偏差。這類方法在去除噪聲、突出染色體宏觀結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出色，也成功幫助研究者識(shí)別了大量由 CTCF 等結(jié)構(gòu)蛋白介導(dǎo)的經(jīng)典染色質(zhì)環(huán)。然而，研究團(tuán)隊(duì)注意到，這一標(biāo)準(zhǔn)化策略在無意中也可能系統(tǒng)性地削弱另一類信號(hào)：那些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控密切相關(guān) ， 但在 Hi-C 數(shù)據(jù)中本就相對(duì)較弱的 染色質(zhì) 互作 。

在原始 Hi-C 數(shù)據(jù)中，這些互作往往清晰可見，并與 H3K27ac 、 RNA 聚合酶 II 等活躍調(diào)控標(biāo)記高度重疊；但在經(jīng)過矩陣平衡后，它們的信號(hào)強(qiáng)度顯著下降， 以至于 難以 被 現(xiàn)有染色質(zhì)環(huán)識(shí)別算法捕捉到 。這意味著， 大量 真實(shí)存在卻并不 “ 強(qiáng) ” 的調(diào)控型染色質(zhì)互作 ， 可能在數(shù)據(jù)分析的最初階段就被系統(tǒng)性地忽略了。

針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的三維基因組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法 —Raichu 。與傳統(tǒng) 基于矩陣平衡的 方法不同， Raichu 并不假設(shè)所有基因組位點(diǎn)在 Hi-C 數(shù)據(jù)中具有相同的可見性 （ Visibility ） 。在設(shè)計(jì)上， Raichu 將觀測(cè)到的染色質(zhì)互作 信號(hào) 視為距離衰減背景、位點(diǎn)特異性偏差以及互作本身 特異 信號(hào)三者的疊加，并通過優(yōu)化框架，在保留距離衰減這一三維基因組基本物理特性的同時(shí)，避免對(duì)真實(shí)但較弱的互作進(jìn)行過度校正。

這一改變?cè)趯?shí)際數(shù)據(jù)中帶來了非常直觀的效果。 在多套高質(zhì)量 Hi-C 、 Micro-C 以及 Region Capture Micro-C 數(shù)據(jù)中， Raichu 識(shí)別到的染色質(zhì)環(huán)數(shù)量均接近或超過傳統(tǒng)方法的兩倍，且?guī)缀跬暾Ａ袅藗鹘y(tǒng)方法已識(shí)別的染色質(zhì)環(huán) 。

這些新增的 染色質(zhì)環(huán) 并非隨機(jī)噪聲。系統(tǒng)分析顯示，與傳統(tǒng)方法 識(shí)別的染色質(zhì)環(huán) 相比， Raichu 新識(shí)別的染色質(zhì)環(huán)顯著富集 于 “ 增強(qiáng)子 - 啟動(dòng)子 ” 、 “ 增強(qiáng)子 - 增強(qiáng)子 ” 以及 “ 啟動(dòng)子 - 啟動(dòng)子 ” 等與轉(zhuǎn)錄調(diào)控密切相關(guān)的互作類型，其兩端高度重疊 H3K27ac 、 H3K4me3 以及多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。換言之， Raichu 所 識(shí)別的額外染色質(zhì)環(huán) ，正是此前最容易被忽視、卻在功能上最為關(guān)鍵的一類調(diào)控型染色質(zhì)互作。

Raichu 的優(yōu)勢(shì)在低測(cè)序深度數(shù)據(jù)中 同樣 明顯。即便在由極少量細(xì)胞合并得到 的 pseudo-bulk Hi-C 數(shù)據(jù)中， Raichu 依然能夠穩(wěn)定識(shí)別出大量調(diào)控型染色質(zhì)互作。這一特性使其在單細(xì)胞 Hi-C 及單細(xì)胞多組學(xué)場(chǎng)景下具有重要應(yīng)用潛力，為解析細(xì)胞類型特異性的三維基因組調(diào)控提供了新的工具。

從更宏觀的角度來看，這項(xiàng)研究提示，過去十年中關(guān)于“染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化與轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)聯(lián)有限”的部分結(jié)論，可能并非完全源于生物學(xué)本身，而在一定程度上受到數(shù)據(jù)分析方法的影響。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化策略系統(tǒng)性地削弱了調(diào)控型互作信號(hào)時(shí)，三維基因組的動(dòng)態(tài)調(diào)控潛力也隨之被低估。

在設(shè)計(jì)上， Raichu 與當(dāng)前主流的三維基因組分析框架（如 基于 cooler 生態(tài)的 分析 工具 ）完全兼容 。 使用 Raichu 標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)， 下游 針對(duì) 區(qū)室、 TAD 以及 染色質(zhì)環(huán) 的分析流程與 傳統(tǒng)方法 并無任何區(qū)別。這使得Raichu有望作為現(xiàn)有矩陣平衡方法的直接替代方案，從數(shù)據(jù)分析的源頭出發(fā)，重新增強(qiáng)人們對(duì)三維基因組動(dòng)態(tài)變化及其與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

該論文第一作者和通訊作者為復(fù)旦大學(xué)生殖與發(fā)育研究院王小滔，研究工作中亦有多位相關(guān)研究人員參與。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69082-z

制版人： 十一

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